Кодирование видео- и звуковых данных

На основе кодирования графической информации построено кодирование видеоданных. Видео воспроизводится кадрами с частотой 30 кадров в секунду. Один кадр - это один экран компьютера. Графическая информация кодируется точками и цветом. Если к этому еще добавить и звуковые данные сопровождающие графическую информацию, то получаются очень большие объемы цифровых данных. Поэтому при кодировании всегда применяют сложные алгоритмы сжатия, которые позволяют уменьшить хранимый объем данных сотни раз.

Также весьма трудоемкой является обработка звуковой информации, которая тоже представляется в двоичном виде. Как можно звук ввести в компьютер? Схема здесь та же самая, что и при записи на магнитофон, только вместо записывающей головки используется специальное устройство - аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП через фиксированные моменты времени измеряет значение амплитуды сигнала в линии и преобразует ее в цифровой код - число. Это число записывается в память компьютера и т. д. Таким образом в памяти компьютера будет последовательность чисел - замеров амплитуды звукового сигнала через определенные промежутки времени. Для того чтобы воспроизвести звук записанный таким образом, надо эти коды последовательно считывать из памяти и подавать на другое устройство - цифро - аналоговый преобразователь (ЦАП), на выходе которого формируется уровень напряжения в соответствии с входным кодом, таким образом на выходе ЦАП будет восстановленный аналоговый звуковой сигнал.

Очень важно определить, через какие периоды времени следует квантовать аналоговый звуковой сигнал. Это делается из следующих соображений - человеческое ухо улавливает звуки частотой от 16 до 200000 гц., для того чтобы по точкам восстановить значение синусоиды, надо иметь не менее двух отсчетов за период, таким образом, чтобы полностью восстановить все звуки, которые может слышать человек, надо квантовать сигнал не менее 40 000 раз в секунду 40 (кГц). Частоты квантования показывают, сколько раз в секунду берутся выборки сигнала для преобразования в цифровой код. Для получения звука высокого качества используют частоту квантования 44.100 кГц.

Другой способ воспроизведения звука на компьютере заключается в его синтезе. Современные компьютеры могут синтезировать музыкальные звуки двумя способами: методом частотной модуляции и с помощью волнового синтеза (выбирая звуки из специальной таблицы звуков). Второй способ обеспечивает более натуральное звучание.

Лекция 2

Классификация вычислительных систем

Первые компьютеры (автоматические электронные вычислительные машины с программным управлением) были созданы в конце 40-х годов XX века и представляли собой гигантские вычислительные монстры, использовавшиеся только для вычислительной обработки информации. По мере развития компьютеры существенно уменьшились в размерах, но обросли дополнительным оборудова­нием, необходимым для их эффективного использования. В 70-х годах компью­теры из вычислительных машин сначала превратились в вычислительные системы, а затем в информационно-вычислительные системы. В табл. 2.1 показана эволюция технологий использования компьютерных систем.

Как видно из таблицы, в настоящее время основные цели использования компь­ютеров — информационное обслуживание и управление, сейчас вычислительные машины и системы по существу выполняют функции информационно-вычисли­тельных систем. Рассмотрим более подробно внутреннюю архитектуру вычисли­тельных систем (ВС).

Вычислительная система — это совокупность одного или нескольких компьюте­ров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудова­ния, организованная для совместного выполнения информационно-вычисли­тельных процессов. В вычислительной системе компьютер может быть один, но агрегированный с многофункциональным периферийным оборудованием. Сто­имость периферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость компьютера.

В качестве распространенного примера одномашинной ВС можно привести систему телеобработки информации. Но все же классическим вариан­том ВС является многомашинный (пример – компьютерная сеть) и многопроцессорный (пример ‑ суперкомпьютер) варианты.

Первые ВС создавались с целью увеличить быстродействие и надежность работы путем параллельного выполнения вычислительных операций. «Тормозом» в дальнейшем увеличении быстродействия компьютера является конечная скорость распространения электромагнитных волн — скорость света, равная 300 000 км/с. Время распространения сигнала между элементами ВС может значительно превышать время переключения электронных схем. По­этому строго последовательная модель выполнения операций, характерная для классической структуры компьютера — структуры фон Неймана — не позволяет существенно повысить быстродействие ВС.

Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие сис­темы; он же может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонента системы его функции может взять на себя другой) и достоверность функционирования системы, если операции будут дублироваться, а результаты их выполнения сравниваться.

Для современных ВС, за исключением суперкомпьютеров, критерии обоснования их необходимости уже несколько иные — важно само информационное обслуживание пользователей, сервис и качество этого обслуживания. Для суперкомпью­теров, представляющих собой многопроцессорные ВС, важнейшими показателя­ми являются их производительность и надежность.

Укрупненная блок-схема классического компьютера показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3.Блок-схема компьютера

1. Процессор (центральный процессор) — основной вычислительный блок компьютера, содержит важнейшие функциональные устройства:

· устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);

· арифметико-логическое устройство;

· процессорную память.

Процессор, по существу, является устройством, выполняющим все функции элементарной вычислительной машины.

2. Оперативная память — запоминающее устройство, используемое для опера­тивного хранения и обмена информацией с другими узлами машины.

3. Каналы связи (внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения цен­тральных узлов машины с ее внешними устройствами;

4. Внешние устройства обеспечивают эффективное взаимодействие компьюте­ра с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими машинами. В состав внешних устройств обязательно входят внешняя память и устройства ввода-вывода.

Вычислительная система может строиться на основе целых компьютеров — многомашинная ВС, либо отдельных процессоров — многопроцессорная ВС.

Вычислительные системы бывают:

· однородные;

· неоднородные.

Однородная ВС строится на основе однотипных компьютеров или процессоров, позволяет использовать стандартные наборы программных средств, типовые протоколы (процедуры) сопряжения устройств. Их организация значительно проще, облегчается обслуживание систем и их модернизация.

Неоднородная ВС включает в свой состав различные типы компьютеров или про­цессоров. При построении системы приходится учитывать их различные техни­ческие и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание таких систем.

Вычислительные системы работают:

· в оперативном режиме (on-line);

· в неоперативном режиме (off-line).

Оперативные системы функционируют в реальном масштабе времени, в них реа­лизуется оперативный режим обмена информацией — ответы на запросы посту­пают незамедлительно. В неоперативных ВС допускается режим «отложенного ответа», когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой за­держкой (иногда даже в следующем сеансе работы системы).

Различают ВС с централизованным и децентрализованным управлением. В пер­вом случае управление выполняет выделенный компьютер или процессор, во втором — эти компоненты равноправны и могут брать управление на себя.

Кроме того, ВС могут быть:

• территориально-сосредоточенными (все компоненты размещены в непосред­ственной близости друг от друга);

· распределенными (компоненты могут располагаться на значительном расстоя­нии, пример — вычислительные сети);

· структурно одноуровневыми (имеется лишь один общий уровень обработки данных);

• многоуровневыми (иерархическими) структурами. В иерархических ВС маши­ны или процессоры распределены по разным уровням обработки информа­ции, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выпол­нении определенных функций.

Наконец, как уже указывалось, ВС делятся на:

• одномашинные;

· многомашинные;

· многопроцессорные.

Начнем рассмотрение с одномашинных ВС, точнее — с вычислительных машин.

Основные классы вычислительных машин

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер — комплекс техни­ческих средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:

1. по принципу действия;

2. по этапам создания и элементной базе;

3. по назначению;

4. по размеру вычислительной мощности;

5. по функциональным возможностям и т. д.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса (рис. 2.4): аналоговые, цифровые и гибридные.

Рис. 2.4. Классификация вычислительных машин по принципу действия

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Две формы представления информации в машинах

□ ЦВМ — цифровые вычислительные машины, или вычислительные машины дис­кретного действия — работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

□ АВМ — аналоговые вычислительные машины, или вычислительные машины не­прерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерыв­ной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

□ ГВМ — гибридные вычислительные машины, или вычислительные машины комбинированного действия — работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ.

АВМ весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для ре­шения их на этих машинах, как правило, не трудоемкое. Скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность до 2-5%). На АВМ эффективно решаются математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения и не требующие сложной логики.

ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

В экономике (да и в науке и технике) получили подавляюще широкое распро­странение ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации — электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их циф­ровом характере.

По этапам создания и элементной базе компьютеры условно делятся на поко­ления:

□ 1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

□ 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).

□ 3-е поколение, 70-е годы: компьютеры на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни—тысячи транзисторов в одном корпусе).

Интегральная схема — электронная схема специального назначения, выполненная в виде полупроводникового кристалла, объединяющего большое число активных элементов (диодов и транзисторов).

□ 4-е поколение, 80-90-е годы: компьютеры на больших и сверхбольших инте­гральных схемах, основная из которых — микропроцессор (десятки тысяч — миллионы активных элементов на одном кристалле).

Большие интегральные схемы столь плотно упаковывают активные элементы, что все электронное оборудование компьютера 1-го поколения (монстра, занимавшего зал площадью 100-150 м²) размещается сейчас в одном микропроцессоре площадью 1,5-2 см². Расстояния между активными элементами в сверхбольшой интегральной схеме составляют 0,11-0,15 микрона (для сравнения, толщина человеческого волоса равна нескольким десяткам микронов).

□ 5-е поколение, настоящее время: компьютеры с многими десятками парал­лельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.

□ 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым па­раллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого чис­ла (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитекту­ру нейронных биологических систем.

Каждое следующее поколение компьютеров имеет по сравнению с ему предшествующим существенно лучшие характеристики. Так, производительность компьютеров и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше, чем на порядок.

По назначению компьютеры можно разделить на три группы (рис. 2.6): универ­сальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Рис. 2.6.Классификация компьютеров по назначению

Универсальные компьютеры предназначены для решения самых различных ин­женерно-технических, экономических, математических, информационных и т. д. задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатывае­мых данных. Они широко применяются в вычислительных центрах коллектив­ного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами универсальных компьютеров являются:

□ высокая производительность;

□ разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символь­ных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

□ обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логи­ческих, так и специальных;

□ большая емкость оперативной памяти;

□ развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные компьютеры предназначены для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, с регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, с выполнением расчетов по относительно несложным алгорит­мам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными компьюте­рами аппаратными и программными ресурсами.

Специализированные компьютеры предназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой произ­водительности и надежности их работы.

К специализированным компьютерам можно отнести, например, программи­руемые микропроцессоры специального назначения, адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными тех­ническими устройствами, агрегатами и процессами, устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

По размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разделить (рис. 2.7) на сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ), большие, малые и сверхмалые (микрокомпьютеры или микроЭВМ).

Рис. 2.7.Классификация компьютеров по размерам и вычислительной мощности

Функциональные возможности компьютеров обусловлены такими важнейшими технико-эксплуатационными характеристиками, как:

□ типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов компь­ютера между собой (тип внутримашинного интерфейса);

□ способность компьютера одновременно работать с несколькими пользовате­лями и выполнять параллельно несколько программ (многозадачность);

□ типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, ис­пользуемых в машине;

□ наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

□ способность выполнять программы, написанные для других типов компьюте­ров (программная совместимость с другими типами компьютеров);

□ система и структура машинных команд;

□ возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

□ эксплуатационная надежность компьютера;

□ коэффициент полезного использования компьютера во времени, определяе­мый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Некоторые сравнительные параметры классов современных компьютеров показаны в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Сравнительные параметры классов современных компьютеров

Параметры	Класс компьютера
	Суперкомпьютеры	Большие компьютеры	Малые компьютеры	Микрокомпьютеры
Производительность(MIPS)	10 000‑10 000 000	1 000‑10 000	50‑1 000	30‑100
Емкость ОП (Мбайт)	10 000‑10 000 000	10 000‑100 000	1 000‑10 000	512‑4096
Емкость внешнего ЗУ (Гбайт)	50 000‑100 000	1 000‑50 000	200‑5 000	200‑2 000
Разрядность (бит)	64‑512	64‑256	32‑128	32‑128

MIPS — миллион операций в секунду над числами с фиксированной запятой

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых про­шла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Первая большая ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) бы­ла создана в 1946 году. Эта машина весила более 30 тонн, имела быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел, занимала зал площадью около 150 м².

Производительность больших компьютеров оказалась недостаточной для ряда задач (прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, биологических исследований, моделирования экологических систем и др.). Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперкомпьютеров, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время. Появление в 70-х годах малых компьютеров обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой — избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые компьютеры используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компакт­ны и существенно дешевле больших компьютеров. Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-компьютера — вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых компьютеров, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 году микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х го­дах еще одного класса компьютеров — микрокомпьютеров. Именно наличие МП послужило первоначально определяющим признаком микрокомпьютеров. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах компьютеров.

Рассмотрим кратко современное состояние некоторых классов компьютеров

Дата добавления: 2014-01-06